摘要：为应对我国气候变化与能源危机，在双碳目标的推动下，可再生能源将成为新型电力系统重要的组成部分，其中太阳能和风能作为自然界中蕴藏量丰富的可再生能源，得到了大力发展。随着风电和光伏的大规模并网，新能源出力的不确定性问题愈发凸显，对电力系统的稳定可靠运行会产生很大影响。由于其自身的波动性、间歇性、随机性，也成为新能源消纳亟待解决的问题。基于此，本篇文章对新型电力系统背景下水风光一体化开发和水电机组安全稳定健康高效运行进行研究，以供参考。

关键词：新型电力系统；水风光一体化开发；水电机组；安全稳定运行

引言

随着新能源的快速发展，风电和光伏等可再生能源在电力系统中的比重不断增加，这为电力系统的运行带来了新的挑战和机遇。然而，风电和光伏发电具有间歇性、波动性的特点，对电力系统的调度和稳定性提出了更高的要求。因此，水风光一体化成为提高新能源利用效率、保障电力系统安全稳定运行的重要方式。

1贵州省北盘江流域风光资源丰富及现有水电站情况

贵州省北盘江流域的风光资源丰富，可利用流域已建水电站启停迅速、调节性能好等特点，通过利用自身调蓄能力，完成对风光出力波动的平抑，从而提高新能源的电能品质，保障新能源的大规模开发。水电站在调节风光出力与电网负荷变化时，水轮发电机组运行工况频繁发生变化，常脱离最优工况运行，发生功率反调，并导致机组运行效率降低，同时加剧机组振动和机械损耗。由于地域与气候等自然因素的影响，风光出力在超短期波动频繁，而水电机组无法快速响应，在并网时也会对电力系统的安全稳定产生影响。因此，为了提高北盘江水风光一体化综合能源利用效益，同时能够有效保障水电机组的安全稳定健康高效运行，亟须开展关于新型电力系统背景下北盘江流域考虑水电机组安全稳定健康高效运行的水风光一体化经济合理规模及保障措施研究。

2北盘江水电站调节风光出力的需求

根据北盘江水电站的调节性能、负荷特性以及风光出力特性，并考虑到水电机组的安全稳定健康高效运行要求。从构建新型电力系统的角度出发，提出水电站与新能源联合互补运行的合理配置模式，并在保障水电机组安全稳定健康高效运行的前提下，确定水风光一体化经济合理的配置规模。综合考虑水电发电影响、弃风光率、技术经济互补性等因素，以实现最佳的水电和新能源协同配置方案。

3水风光一体化经济合理规模

大规模风光新能源接入流域梯级水电站进行互补调度和打捆外送，为解决流域风光电的送出和消纳难题，系统研究水风光多能互补系统的运行方式，通过多时间尺度间的信息反馈和嵌套耦合机制，在保证梯级水电站运行安全的前提下最大限度地挖掘和发挥多能互补潜力和优势。充分利用水电启停速度快、调节灵活等特点，将水电与风电、光伏耦合，能够有效提升风光资源的消纳与利用；为解决水电机组无法在秒级尺度下平抑风光出力波动的问题，通过配置锂离子电池储能，以利用其响应速度快、灵活性较高等优势代替水电进行秒级的频繁出力调节，可以有效提高风光并网电能质量，保障电力系统的安全稳定。

4水电机组频繁调节对机组安全稳定性的挑战

随着风电、光伏等间歇性能源在电网中的比例增加，电力系统对于水电调节的需求也日益增加，水电机组频繁调节导致机组出力变动频繁，而受制造工艺、运行环境等因素影响，水轮发电机组在承担某些范围的负荷时往往出现剧烈振动的现象，导致机组摆幅振动增加，加剧金属疲劳损伤，严重危害水电站的正常运行。通过开展对北盘江流域梯级电站各级水轮机组安全稳定性的调研，划分运行区域并设立科学合理的安全运行边界来指导机组的安全稳定运行。在运行层面，通过优化调度，调节水电机组的运行方式，避免机组在禁止运行区运行；在规划层面，基于运行边界来合理选定风光规模，降低机组在禁止运行区内运行的可能性。随着风光并入系统，水电机组出力需要与风光出力协调调度，相较于水电站单独运行的方式，一体化运行下的水电机组出力降低，可调范围减小。由于在同一水位下出力降低会导致效率的降低，一体化运行的水电机组会在一定程度上造成水资源浪费。

5优化水电站运行方式与风光资源消纳策略

为进一步提高一体化系统运行下的水能资源利用，提高水电机组健康高效的最优运行方式，结合机组效率试验测定，分析机组实际运行过程中的高效运行区域。一方面通过优化调度，调节机组出力；另一方面提出在风光规模进一步扩大，且超出水电站的送出通道和调节能力时，在一体化系统中配置适量的氢储能。新能源出力变化频率超过水电机组调节速度的（秒级），通过储能电站来协助调节。在不影响机组安全稳定健康高效运行的前提下，尽可能对风光进行消纳和平抑。

6风光资源选择与一体化规模配置

根据北盘江流域的风光资源分布，结合风光开发潜力与风光资源量的分析选择风光开发场址。在最大化提高水风光资源的利用效益的同时，保证水轮机组的安全稳定健康高效运行，从风光开发场址资源限制和禁止运行区影响两方面对水风光一体化的规模进行了相应配置选择。一体化系统中现有水电266MW，结合规划的风光选址，不考虑禁止运行区影响时配置风光规模为3500MW，接入风光后对水电造成的电量损失为7850万kWh；考虑禁止运行区域的影响时配置风光规模为3425MW，接入风光后对水电造成的电量损失为6185万kWh。在不考虑已规划风光选址的资源限制的前提下，不考虑禁止运行区影响时配置风光规模为5300MW，接入风光后对水电造成的电量损失为16788万kWh；考虑禁止运行区影响时，配置风光规模为4845MW，接入风光后对水电造成的电量损失为19243万kWh。针对风光在超短期的波动，采用电池储能配置进行平抑。以平抑风光出力到分钟内一致为原则，通过对全年逐秒出力数据采集与分析，针对不同风光电站规划方案分别进行了不同规模的电池储能配置；考虑现有规划风光场址前提下，不考虑禁止运行区影响的一体化规划方案综合配置功率为11873kW、容量为337kWh的电池储能，考虑禁止运行区影响的一体化规划方案综合配置功率为11719kW、容量为37kWh的电池储能；在不考虑风光场址资源限制的前提下，不考虑禁止运行区影响的一体化规划方案综合配置功率为10208kW、容量为43kWh的电池储能；考虑禁止运行区影响的一体化规划方案综合配置功率为9327MW、容量为38.5kWh的电池储能。

7一体化系统与直接接入电网投资效益比较

通过对水风光一体化开发和新能源直接接入电网两种模式的投资效益进行分析比较，对于不实施一体化对电力系统成本及风光电经济性方面的影响进行了分析研究。根据研究，提出运行方式优化、储能体系构建和维护更新措施的水风光一体化保障措施。通过能量调节和功率调节两个方面，构建长期储能和超短期储能体系，并结合未来发展趋势，制定储能需求与配置方案。对北盘江各梯级电站设备现存问题进行调查，分析故障原因，制定设备检查维修方案，结合未来水风光一体化运行后电站的运行状况变化，提出适宜于一体化运行下的水电机组维护更新措施。

结束语

总之，水风光一体化开发中所面临的资源选择、规模配置、电池储能应用、投资效益等诸多挑战和问题，并从技术、经济、安全等多个角度提出了解决方案和改进建议。

参考文献

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